TM10型电流传感器

TM11型电流传感器

TM12型电流传感器

什么是TMR（隧道磁阻）效应？

磁感应技术经历了从霍尔效应到AMR（各向异性磁电阻）、GMR（巨磁电阻）再到TMR效应的几个阶段。霍尔传感器因其成本低廉和使用方便而被广泛应用于消费电子产品中；AMR技术提高了灵敏度和性能；GMR进一步扩大了电阻变化的幅度；而TMR效应利用量子隧穿机制将磁感应技术推向了更高的灵敏度和精度。TMR效应可以算是磁感应技术发展的一个重要里程碑。

图：磁传感技术的演变

磁感应技术的每一次进步都带来了显著的性能提升。从霍尔传感器的低成本特性，到AMR和GMR技术灵敏度的逐步提高，再到TMR通过量子隧穿实现的低功耗和高精度，这种演变响应了市场对高性能传感器日益增长的需求。

TMR（隧道磁阻）效应是一种基于量子隧穿的磁阻现象。当磁场变化时，电子会隧穿两种铁磁材料（铁磁层）之间的一层非常薄的绝缘层（通常由氧化物或氮化物制成），从而引起明显的电阻变化。这种电阻变化远大于传统磁效应（如霍尔效应和AMR效应），使TMR传感器具有更高的灵敏度和噪声抑制能力。

TMR效应的发现可以追溯到1970年代，但直到材料科学和纳米技术的进步，TMR传感器才开始得到实际应用。该效应用于检测外部磁场的强度和方向，广泛应用于角度感测、位置监控和速度测量等领域。

了解了TMR效应的基本原理后，我们将进一步探讨TMR传感器如何将该效应应用于磁场检测以及其独特的工作机制。

TMR传感器的工作原理

核心组件 – MTJ（磁隧道结）

TMR传感器的核心结构为磁隧道结（MTJ），其工作原理是依靠硬磁层、软磁层和绝缘层的协同作用（如下图所示），此外，MTJ元件通常与CMOS电路结合，实现信号的输出与处理。

图：磁隧穿结（MTJ）结构

• 硬磁层（Pin层）：该层具有固定的磁矩方向，通常由稳定的强磁性材料制成，提供参考方向。
• 软磁层（自由层）：此层的磁矩可随外界磁场调整，具有较高的灵敏度，通常由铁、钴或镍等软磁材料制成。
• 绝缘层（阻挡层）：通常由氧化物或氮化物制成，该层位于两种磁性材料之间，充当隔离器，同时也充当电子隧穿的通道。

硬磁层与软磁层之间的磁矩排列（平行或反平行）直接影响电子的隧穿概率，从而导致电阻的变化。这种电阻变化构成了TMR传感器中磁场检测的基础。

材料选择与性能优化

TMR传感器的性能受材料选择和设计优化的显著影响：

• 硬磁层的材料选择决定了其抗干扰能力和高温稳定性。
• 软磁层的磁饱和能力直接影响传感器的灵敏度。
• 绝缘层厚度控制在几纳米，可以有效提高信噪比，同时降低功耗。